2024年3月19日，中國科學(xué)院上海藥物研究所朱維良/徐志建團(tuán)隊(duì)基于數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì)分析，并結(jié)合量子化學(xué)計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)蛋白/多肽中的鹵鍵進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在蛋白-多肽相互作用界面的鹵鍵可以增強(qiáng)它們的結(jié)合親和力，蛋白內(nèi)部形成的分子內(nèi)鹵鍵有助于提高蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，而對(duì)于不能形成分子內(nèi)鹵鍵的蛋白質(zhì)則會(huì)導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低。該研究成果以題為“Impact of Halogen Bonds on Protein–Peptide Binding and Protein Structural Stability Revealed by Computational Approaches”的文章¹發(fā)表于藥物化學(xué)領(lǐng)域著名期刊Journal of Medicinal Chemistry。該研究為鹵鍵應(yīng)用于多肽/蛋白藥物的研發(fā)提供了理論性指導(dǎo)。

共價(jià)結(jié)合的鹵素原子周圍電荷分布具有各向異性，存在一個(gè)帶正電的σ空穴，可以與親核試劑相互作用形成鹵鍵作用（XB）。鹵鍵是分子識(shí)別和藥物設(shè)計(jì)中重要的非共價(jià)相互作用。在藥物設(shè)計(jì)中，已有的研究主要集中在含鹵小分子化合物與靶標(biāo)蛋白之間的鹵鍵。在自然界中，一些蛋白質(zhì)和肽類化合物也含有鹵素原子，而鹵代蛋白質(zhì)和鹵代肽類化合物的合成也是科研人員關(guān)注的一個(gè)領(lǐng)域，但目前仍然缺乏對(duì)鹵代蛋白質(zhì)或肽所形成的鹵鍵的系統(tǒng)研究。

研究人員首先對(duì)PDB數(shù)據(jù)庫中的195,093個(gè)三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行了篩選，發(fā)現(xiàn)鹵代蛋白或鹵代多肽所形成的鹵鍵主要存在于蛋白-多肽相互作用界面（inter_XBs）以及蛋白結(jié)構(gòu)內(nèi)部（intra_XBs）（圖一a）。通過統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，側(cè)鏈原子（氮和氧）比主鏈原子更有可能充當(dāng)鹵鍵受體（圖一b），而在蛋白與小分子化合物所形成的鹵鍵中，這種趨勢(shì)并不明顯²。

圖一. 含鹵蛋白/多肽的統(tǒng)計(jì)結(jié)果（^aNo_XB表示未形成鹵鍵）

對(duì)于蛋白-多肽間的鹵鍵，研究人員通過QM/MM結(jié)構(gòu)優(yōu)化、自然鍵軌道（NBO）理論和獨(dú)立梯度模型（IGM）分析，證實(shí)蛋白-鹵代多肽復(fù)合物間形成了強(qiáng)鹵鍵（圖二）。為了進(jìn)一步研究鹵鍵對(duì)蛋白-多肽結(jié)合的作用，研究人員對(duì)鹵代前后蛋白-多肽復(fù)合物的優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)合能計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明鹵鍵的存在顯著增強(qiáng)了蛋白-多肽間的結(jié)合作用（表一）。

圖二. 蛋白-鹵代多肽復(fù)合物優(yōu)化前后的幾何結(jié)構(gòu)。初始復(fù)合物結(jié)構(gòu)以灰色展示（幾何參數(shù)為洋紅色），優(yōu)化后復(fù)合物結(jié)構(gòu)以青色展示（幾何參數(shù)為深藍(lán)色）。

對(duì)于鹵代蛋白質(zhì)所形成的分子內(nèi)鹵鍵（intra_XBs），研究人員采用分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)合EP（extra point）模型對(duì)鹵代蛋白的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)鹵代對(duì)不同蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響不同（圖三）。對(duì)于結(jié)構(gòu)柔性較強(qiáng)的蛋白，鹵代對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響較顯著。具體地，對(duì)于鹵代能形成分子內(nèi)鹵鍵的2ZXV體系，鹵代后蛋白的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強(qiáng)；而對(duì)于鹵代不能形成分子內(nèi)鹵鍵的5KI8體系，鹵代后蛋白的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低。此外，對(duì)于結(jié)構(gòu)剛性較強(qiáng)的3VN3體系，鹵代對(duì)蛋白結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響并不明顯。研究人員進(jìn)一步計(jì)算了鹵代前后蛋白氨基酸的局部相互作用時(shí)間（LIT）差值（ΔLIT = LIT_X–LIT_noX），結(jié)果表明鹵素的引入還會(huì)對(duì)氨基酸殘基間的接觸程度產(chǎn)生影響（圖四），這應(yīng)該是影響穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素。如在形成分子內(nèi)鹵鍵的2ZXV體系中，研究人員觀察到鹵代后氨基酸殘基間的接觸程度增強(qiáng)；而在未形成分子內(nèi)鹵鍵的5KI8體系中，鹵代后殘基間的接觸程度減弱。

圖三. 蛋白鹵代前后的回旋半徑分布。X表示蛋白含鹵，noX表示蛋白不含鹵。

圖四. 蛋白含鹵前后氨基酸的ΔLIT。LIT用于衡量氨基酸與周圍氨基酸的接觸程度。ΔLIT = LIT_X–LIT_noX，ΔLIT>0表示含鹵蛋白中氨基酸與周圍氨基酸的接觸程度大于不含鹵蛋白中氨基酸與周圍氨基酸的接觸程度。

該論文第一作者為上海藥物所博士研究生李錦添，通訊作者為上海藥物所徐志建研究員和朱維良研究員。該項(xiàng)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金和科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目的資助。

徐志建/朱維良團(tuán)隊(duì)多年來致力于鹵鍵領(lǐng)域的相關(guān)研究，首次闡明了鹵鍵作用的本質(zhì)³，揭示了PDB數(shù)據(jù)庫中鹵鍵等分子間作用力被普遍低估的現(xiàn)象⁴，首次發(fā)現(xiàn)核酸也可作為鹵鍵受體⁵。

全文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jmedchem.3c02359

參考文獻(xiàn)

[1] Impact of Halogen Bonds on Protein–Peptide Binding and Protein Structural Stability Revealed by Computational Approaches. J. Med. Chem. 2024, 67 (6), 4781-4792.

[2] Preferred microenvironments of halogen bonds and hydrogen bonds revealed using statistics and QM/MM calculation studies. Phys. Chem. Chem. Phys. 2023, 25 (26), 17692– 17699.

[3] Halogen bonding in differently charged complexes: basic profile, essential interaction terms and intrinsic σ-hole. Phys. Chem. Chem. Phys. 2019, 21 (27), 15106– 15119

[4] The Underestimated Halogen Bonds Forming with Protein Side Chains in Drug Discovery and Design. J. Chem. Inf. Model. 2017, 57 (1), 22?26.?

[5] Halogen Bonds Exist between Noncovalent Ligands and Natural Nucleic Acids. J. Med. Chem. 2022, 65 (6), 4424?4435.